一种自动校准开路式激光气体探测装置及实现方法与流程

1.本发明涉及气体探测技术领域，具体的说是涉及一种自动校准开路式激光气体探测装置及实现方法。


背景技术：

2.近年来，我国经济实力日益增长，对能源需求不断提高，为了推动可持续发展和绿色发展，我国已经在逐步调整能源分布结构，从之前的煤炭能源转变成现在的天然气能源。2020年全年中国天然气累计产量超1888亿立方米，同比增长9.8％，连续四年增产超过100亿立方米，2020年全年中国天然气进口量累计达到10166万吨，同比增长5.3％。天然气主要成分烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，还有一些其他气体(如硫化氢、二氧化碳等)。在天然气的开采、运输和存储中，总是不可避免的存在各种泄漏问题，一旦这些气体泄漏没有及时发现和处理，会带来很严重的后果(包括造成环境污染和引发爆炸事故)，这不但会带来巨大的经济损失，还极大的危害到了人民的生命安全，造成不良的社会影响。因此，为了减少环境污染，保障社会安全，通过探测器及时检测气体泄漏问题是大势所趋。
3.目前常用的检测天然气的探测器有催化燃烧式探测器、半导体式探测器和电化学式探测器等，但是这些探测器具有灵敏度低、响应速度慢、抗干扰能力差、容易受到其他气体的干扰或中毒效应等缺陷。为了减少环境污染和保障社会稳定，需要一种能够及时、稳定、准确的检测甲烷等气体浓度的探测器，开路气体检测系统能够满足上述要求。
4.现有的开路检测系统主要由要由发射器、接收器、反光板三个部件组成，其中：发射器由分布式反馈光纤、准直器、单片机控制电路等部分组成；接收器由探测器、小信号放大电路、信号提取电路、单片机信号处理等部分构成。在检测过程中，光源准直后传输到有待测气体的开路环境中，入射光经待测气体吸收衰减后被光电探测器接收并把探测到的光信号转换成电信号，再通过电路对该微弱电信号进行放大，最后使用cpu对放大后的电信号进行处理分析。
5.现有的开路气体检测系统无法进行探测过程中的校准和标定，这是由于开路气体检测系统应用于开路环境中，无法将整个开路环境全部填充标准气体去做标定，全部填充气体的方式既难实现又会造成环境污染。而且为了保证系统的准确性和稳定性，往往需要比较频繁的去做标定，这会耗费大量的人力物力成本。
6.上述缺陷，需要解决。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术开路环境的检测系统无法自动校准、标定的缺陷，本发明提供一种自动校准开路式激光气体探测装置及实现方法，可以通过标准气室对开路环境的检测进行实时的校准和标定，使得整个系统更加可靠和智能化。
8.本发明技术方案如下所述：
9.一种自动校准开路式激光气体探测装置，包括光路系统和与所述光路系统连接的电路控制处理系统，其特征在于，
10.所述光路系统包括激光器、光纤耦合器、标准气室、与开路环境连接的第一光电探测器、与标准气室连接的第二光电探测器，所述标准气室内密封有标准气体，所述激光器发出的工作波长激光经所述光纤耦合器分光形成信号光和参考光，所述信号光经过所述开路环境后入射至所述第一光电探测器，所述参考光经过标准气室后入射至第二光电探测器；
11.所述电路处理系统连接所述激光器并驱动所述激光器发出工作波长激光，所述电路处理系统连接所述第一光电探测器、所述第二光电探测器，并通过标准气室内的气体浓度与长度的乘积值实现对开路环境中待测气体浓度与长度的乘积值的实时自动校准。
12.根据上述方案的本发明，其特征在于，所述激光器与所述光纤耦合器之间光纤熔接连接。
13.根据上述方案的本发明，其特征在于，所述光路系统还包括波分复用器、可见光光源，所述光纤耦合器、所述可见光光源均与所述波分复用器之间光纤熔接连接，所述光纤耦合器输出的信号光与波分复用器的一个输入端连接，所述可见光光源发出指示波长激光与所述波分复用器的另一输入端连接，所述波分复用器用于将所述信号光和所述指示波长激光复合并同光纤输出，复合后的光线照射至所述开路环境。
14.另一方面，所述开路环境的光线入射端设有抛物面反射镜，所述波分复用器同光纤输出的复合光线经由所述抛物面反射镜反射后准直射入所述开路环境。
15.根据上述方案的本发明，其特征在于，所述开路环境的光线准直入射端和光线接收端均位于同一侧，所述开路环境的另一侧设有反光板，准直入射至所述开路环境的光线经由所述反光板反射后入射至接收端的所述第一光电探测器。
16.根据上述方案的本发明，其特征在于，所述标准气体为纯待测气体，或所述标准气体为待测气体和惰性气体的混合物。
17.根据上述方案的本发明，其特征在于，所述电路控制处理系统内设有调制电路，所述调制电路用于控制所述激光器产生的激光波长在待测气体吸收峰中心波长范围内自动扫描。
18.另一方面，一种自动校准开路式激光气体探测的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
19.s100、电路控制处理系统控制激光器发射激光信号；
20.s200、分别获取激光信号穿过开路环境的光信号、激光信号穿过标准气室后的光信号；
21.s300、对比两路光信号的探测结果，通过穿过标准气室后的光信号的检测结果对穿过开路环境的光信号的检测结果进行校准、标定。
22.根据上述方案的本发明，其特征在于，在步骤s100中，电路控制处理系统内的调制电路控制激光器波长扫描，实现激光波长在待测气体吸收峰中心波长附近自动往复扫描；激光器发射的工作波长激光经过光纤耦合器分别发送至开路环境和标准气室，经过开路环境和标准气室的激光来源于相同激光光源，实现对两路气室气体的同步同频波长扫描。
23.根据上述方案的本发明，其特征在于，在步骤s300中，通过两路光电探测器分别接收穿过开路环境的光信号和穿过标准气室后的光信号，并将对应的光信号转变为电信号，
实现两路光探测信号的同步同频采集；将电信号经过小信号放大电路放大后再提取电信号的相关特征信息进行比较计算，得到经过标准气室校准后的开路环境待测气体浓度与长度乘积值的信息。
24.根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明的开路检测系统采用激光光源，具有检测距离长、检测精度高、响应速度快、不受外界环境干扰、不受其他气体成分干扰等优势，同时通过光纤耦合器进行分光，通过参考光与标准气室对信号光、开路环境进行校准和标定，保证系统检测过程的准确性和实时性，整个系统更加可靠和智能化。
附图说明
25.图1为本发明的系统原理图；
26.图2为发明的结构示意图。
27.在图中，各个附图标号为：
28.1-电路控制处理系统；2-激光器；3-光纤耦合器；4-可见光光源；5-波分复用器；6-抛物面反射镜；7-反光板；8-第一光电探测器；9-光纤准直器；10-标准气室；11-第二光电探测器。
具体实施方式
29.下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：
30.如图1、图2所示，一种自动校准开路式激光气体探测装置，包括光路系统和与光路系统连接的电路控制处理系统1，光路系统包括光源(激光器)和光电探测器，其中电路控制处理系统1用于控制光源发生器产生光源，光电探测器用于接收经过待测气体环境的光信号并把探测到的光信号转化为电信号，电信号发送至电路控制处理系统1后，通过电路控制处理系统1对电信号进行放大，实现检测和识别功能。
31.在实际检测中，有很多因素都会不同程度的影响检测精度和灵敏度，包括光源光功率的波动、光源波长的漂移、开路环境的扰动、光探测器的检测噪声、电路的温漂和时漂等，想要精确的检测待测气体的相关结果，必须避免或消除这些因素带来的影响。本发明采用可调谐半导体激光吸收光谱(tdlas)技术，之后利用光纤耦合器分出一路参考光通过标准气室对探测结果实现自动、实时的校准和标定功能，这可以在一定程度上减少这些因素带来的影响。
32.具体的，在光源的产生过程中，电路控制处理系统1连接激光器2，电路控制处理系统1内设有调制电路，通过调制电路控制激光器2产生的激光波长在待测气体(如甲烷)吸收峰中心波长附近自动往复扫描。当激光器2发出的激光未经过待测气体时，光电探测器探测到的光信号强度在所有时间都保持一致；当激光经过待测气体时，光电探测器在待测气体吸收峰中心波长处光信号强度减小，而探测其他波长时光信号强度不变，这种现象在电信号的表现情况是绝大部分时间都是高电平信号，中间会出现低电平信号，而且这种交替的高低电平信号具有周期性，这个电信号输出对应的待测气体浓度乘长度是固定的。之后光电探测器把探测到的光信号转变为电信号，通过电路控制处理系统1对获取的电信号进行放大处理，然后提取高电平和低电平信号值，其对应的光信息是初始光强和吸收峰处的光强值。
33.优选的，激光器2为可调谐半导体激光器，其发出的激光光源单色性很好，并且激光器输出激光波长范围窄且可以调节，因此只需要选择激光器的中心波长为某一待测气体的某个吸收谱线波长即可。因此，采用可调谐半导体激光器使得整个探测系统具有检测距离长，检测精度高，响应速度快，不受外界环境干扰，不受其他气体成分干扰等优势。
34.本发明选用激光器2产生激光信号作为探测光，其基于红外光谱吸收对气体浓度进行检测，由于不同的气体分子是有不同的带电子能级结构，气体分子只能吸收那些能量正好等于它的某两个能级的能量之差的光子，不同分子结构的气体由于其不同能级会吸收不同频率的光子，所以气体对激光波长具有很强的选择吸收特性。另外，激光信号具有检测距离长、检测精度高、响应速度快、不受外界环境干扰、不受其他气体成分干扰等优势，因此可以得到稳定的探测结果。
35.为了实现对开路环境的检测结果的校准和标定，本发明中的激光器2发出的光路分为信号光路和参考光路，信号光路经过气体参数未知的开路环境，参考光路经过气体参数已知的标准环境，通过参考光路的探测结果对信号光路的探测结果进行校准和标定。与之对应的，本发明中的光电探测器包括与开路环境连接的第一光电探测器8、与标准气室10连接的第二光电探测器11，第一光电探测器8用于探测信号光信号，第二光电探测器11用于探测参考光信号。
36.光路系统还包括光纤耦合器3、标准气室10，光电探测器包括与开路环境连接的第一光电探测器8、与标准气室10连接的第二光电探测器11。电路控制处理系统1连接激光器2，并驱动激光器2发出工作波长激光.激光器2与光纤耦合器3连接，光纤耦合器3用于将激光器2发出的激光分光形成信号光和参考光，其中信号光经过开路环境后入射至第一光电探测器8实现开路环境的检测，参考光经过标准气室10后入射至第二光电探测器11，电路控制处理系统1对比由第一光电探测器8和第二光电探测器11获得的信号，并对开路环境的气体探测结果进行校准和标定。
37.本发明中选定光纤耦合器3的分光比为90：10，其中信号光的能量占据整体的90％，参考光的能量占据整体的10％，既不会影响信号光对于开路环境的探测精准度，同时可以保证开路环境与标准气室10的激光信息的一致性。
38.在一个优选实施例中，激光器2与光纤耦合器3之间光纤熔接连接。利用光纤熔接机可以把激光器2输出的激光光束通过光纤输出端与光纤耦合器3相连，有利于更换激光光源，而且在更换激光器2后可以不用调节后面的准直光路，切换非常方便以实现不同气体的探测。
39.在信号光路中，信号光经过开路环境并被待测气体吸收后射入第一光电探测器8。在一个优选实施例中，光路系统还包括波分复用器5、可见光光源4，光纤耦合器3、可见光光源4均与波分复用器5之间光纤熔接连接.光纤耦合器3输出的信号光与波分复用器5的一个输入端连接，可见光光源4发出指示波长激光与波分复用器5的另一输入端连接，波分复用器5用于将第一输出端输出的信号光与可见光光源4发出的可见光进行复合，并同光纤输出，使两者完全重合，波分复用器5输出的光线照射至开路环境。通过将信号光和可见光光源4发出的可见光一起输入到波分复用器5，波分复用器5会把这两路光耦合成一路光。该可见光用于对光线进行指示，便于查看和调整。
40.开路环境的光线入射端设有抛物面反射镜6，工作波长激光和指示波长激光从波
分复用器相同光纤输出端出射，经由抛物面反射镜6反射后准直射入开路环境。由于激光经过光纤耦合器3输出的光为高斯光，为了避免信号光在过远距离的开路环境传输后光斑变大，本发明采用抛物面反射镜6对信号光准直，使得其输出为平行光，由于抛物面反射镜6稳定并且没有光的色散效应，所以经过波分复用器5把信号波长激光和指示波长激光复用成一路光后，再采用抛物面反射镜6准直，可以保证信号光和指示光的光路保持完全一致。
41.优选的，抛物面反射镜6表面镀金，保证反射效果，且降低加工难度。
42.本发明中的开路环境的光线入射端(抛物面反射镜6)和光线出射端(第一光电探测器8)均位于同一侧，开路环境的另一侧设有反光板7，入射至开路环境的光线经由反光板7反射后由光线出射端(第一光电探测器8)射出。反光板7表面由特殊材料加工而成，具有成像好、可擦洗等诸多光学物理特性，可以使得激光穿过开路环境后由反光板7反射后再次射入开路环境的起始端部，满足抛物面反射镜6与第一光电探测器8位于开路环境同一端部的需求，进而使得光源和第一光电探测器8采用同一个电路控制处理系统，具有良好的同步性和实时性。
43.在参考光路中，光纤耦合器3的第二输出端与光纤准直器9连接，光纤准直器9输出的光线(参考光)照射至标准气室10。与信号光相对的，本发明中的参考光在标准气室10内的传输距离较短，故直接用参考光经过光纤准直器9准直后经标准气室10后被第二光电探测器11接收。
44.本发明中的标准气室10可以更换不同的标准气体，用于实现对不同气体进行探测。标准气室10包括气室外壳及填充于气室外壳内的标准气体，该气室外壳为由有机玻璃板构成的长方体结构，其长度已知并可根据具体需要进行选择。气室外壳的光路出入口(图中左右两端口)处设有在待测气体吸收峰中心波长附近透射率高的光学窗口片，通过光学窗口片代替有机玻璃，保证光线良好穿过。基于此，可以很方便的更换标准气室、不同中心波长的激光光源以及窄带滤光片，进而实现不同气体的探测。
45.本发明中的标准气体可以为纯待测气体，也可以选择标准气体为待测气体和惰性气体(如氮气)的混合物，并且该混合物内的待测气体与惰性气体的含量已知，使得该标准气室10内的待测气体可以作为标准值进行校准。上述的标准气体与标准气室长度有关，此处不做具体限定。标准气体可以避免空气中水分和其他杂质的干扰，并且待测气体浓度较高，只需要用很短的标准气室来做参考，标定测试就能达到探测器满量程的一半以上。为了保证使用的安全，本发明中的纯待测气体或待测气体与惰性气体的混合物的浓度均浓度较高且控制不在气体爆炸范围内。
46.第一光电探测器8探测到信号光、第二光电探测器10探测到参考光后，将对应的光信号转变为电信号，将电信号经过小信号放大电路放大后再提取电信号的相关特征信息。
47.本发明利用朗伯比尔定律，当激光通过待测气体时，如若激光的输出激光波长和气体的某个吸收峰相同，那么该待测气体就会吸收激光，其中吸收强度与气体的浓度，气体的长度以及气体在该波长的吸收系数有关，每种待测气体在每个吸收谱线的吸收系数是固定的，故气体吸收强度只与待气体的浓度与气体长度的乘积有关。因此，通过对比分析信号光探测器和参考光探测器输出的电信号来校准和标定反射式激光开路检测系统，使得整个系统更加可靠和智能化。
48.基于上述自动校准开路式激光气体探测装置，本发明通过在系统内部加一个标准
气室，在不影响主光路的探测效果下，利用光纤耦合器分出一定能量的光作为参考光，参考光通过标准气室后产生参考信号，利用参考信号与探测信号去对比分析，可以实时的去校准和标定探测信号，使得整个系统更加可靠和智能化。
49.基于上述自动校准开路式激光气体探测装置，本发明还提供一种自动校准开路式激光气体探测的实现方法，包括以下步骤：
50.s100、电路控制处理系统控制激光器发射激光信号。
51.在此过程中，电路控制处理系统内的调制电路控制激光器实现激光波长扫描，实现激光器产生的激光波长在待测气体吸收峰中心波长附近自动往复扫描；激光器发射的工作波长激光经过光纤耦合器分别发送至开路环境和标准气室，经过开路环境和标准气室的激光来源于相同激光光源，实现对两路气室气体的同步同频波长扫描。
52.为了实现对系统的校准和标定，本发明设计信号光路和参考光路进行对比。具体的，激光器发射的激光信号经过光纤耦合器进行分光，其中信号光进入开路环境，参考光进入标准气室。
53.在信号光路中，为了实现信号光的指示，信号光与可见光光源发出的可见光同步进入波分复用器，波分复用器将两路光耦合形成一路光。耦合后的光线直接进入开路环境，也可以经由抛物面反射镜反射后进入开路环境。
54.s200、系统启动后，第一光电探测器获取激光信号穿过开路环境的光信号(即探测光信号)，第二光电探测器获取激光信号穿过标准气室后的光信号(即参考光信号)。
55.此后第一光电探测器将探测光信号转化为电信号后发送至电路控制处理系统，第二光电探测器将参考光信号转化为电信号后发送至电路控制处理系统。
56.s300、电路控制处理系统对比两路光信号的探测结果(即对比两路光信号的结果)实现，通过穿过标准气室后的光信号的检测结果对穿过开路环境的光信号的检测结果进行校准、标定。本发明通过穿过标准气室后的光信号对应的标准气体浓度与长度乘积值对穿过开路环境的光信号对应的气体浓度与长度乘积值进行校准、标定。
57.在此过程中，通过两路光电探测器分别接收穿过开路环境的光信号和穿过标准气室后的光信号，实现两路光探测信号的同步同频采集；并将对应的光信号转变为电信号，将电信号经过小信号放大电路放大后再提取电信号的相关特征信息，进行比较计算，得到经过标准气室校准后的开路环境待测气体浓度与长度乘积值的信息。
58.在开路环境中，90％能量的信号光通过开路环境到达反光板，再经反光板反射被第一光电探测器探测。当开路环境中没有待测气体时，探测到的电信号会一直是高电平，对应的气体浓度与长度的乘积值为0；当开路环境中有待测气体泄漏时，由于激光会在待测气体吸收峰中心波长处光信号强度减小，故与参考光路的探测结果类似，开路环境中第一光电探测器探测到的电信号在绝大部分都是高电平信号，中间会出现周期性的低电平信号。此时低电平信号相对于和高电平信号的变化量是可以通过信号光探测器和电路系统探测并提取的。
59.由于标准气室的长度和气体浓度确定并已知，因此参考的待测气体浓度乘长度是固定的，通过拟合函数来分析计算参考光电探测器和信号光电探测器探测到的低电平信号相对于高电平信号的变化量。具体的，计算开路环境中待测气体的浓度与长度的乘积值时，
具体计算数据表达式为：
60.其中c1为开路环境中的待测气体浓度，l1为开路环境中的待测气体穿过的长度值，c0为标准气室内的待测气体浓度，l0为标准气室的长度，f()函数为拟合函数，x1为信号光的低电平信号相对于高电平信号的变化量(吸收峰光强相对于初始光强的变化量)，x0为参考光的低电平信号相对于高电平信号的变化量(吸收峰光强相对于初始光强的变化量)。
61.f()函数通过实验数据拟合得到，其与每种气体在不同吸收光谱中的吸收系数有关，并且由于c0、l0是已知的，x1和x0可以通过光电探测器和电路算法来探测和提取的，因此可以由该计算表达式实时、准确的得出开路环境中待测气体浓度与长度的乘积值。
62.本发明通过在系统内部增加标准气室用来做参考，可以实现反射式激光开路气体检测系统的自动校准和标定，这样保证了整个系统的稳定性和准确性，并且有效解决了开路激光气体检测系统较难标定，频繁标定的问题，从而减轻了维修和售后工程师负担，减少人力物力资源的使用。
63.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
64.上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。